CN101924728A - 一种基于信道环境判决的传送数据包大小分割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道环境判决的数据包大小分割传送方法。在上述方法中，首先，根据发射机发送的短训练序列估计载波频偏量，并将该载波频偏量与预先设定的门限值进行比较，如果该载波频偏超过预设的门限值，表明收发双方的相对速度较快，信道的时间选择性衰落较为严重，信道变化剧烈，通过MAC层的控制信道指示发射机改变发送的数据包大小；如果频偏估计小于预设的门限值，表明收发双方的相对速度较慢，此时，根据长训练序列进行信道估计，当信道估计的结果含有三个以上超过预设门限的回波，或者两个很接近的超过某门限的回波，表明信道的频率选择性衰落较为严重，信道变化剧烈，则通过MAC层的控制信道指示发射机改变发送的数据包大小。上述方法既能解决由于快速移动而产生的信道估计误差过大以及解调不准的问题，又能克服存在多径效应时的情况，对于在旷野中高速公路上或者高楼林立的城市中行进的车辆来说特别适用。

Description

一种基于信道环境判决的传送数据包大小分割方法

技术领域

本发明属于信息的传输领域，特别是因特网、数据通讯、数字电视、数字广播中的信息传输技术。

背景技术

车载网络的一个重要任务就是能够提供越来越高的计算复杂度。随着适合车载无线通讯的服务和应用的不断涌现，对车载设备间无线通信的可靠性、快速响应和安全性提出了要求。美国无线电管理委员会已经分配了专用的频段以增强交通***的可靠稳定通讯的需求。从网络的观点看，需要一个框架去衡量和评估无线传输***。IEEE工作组已经起草了802.11p的草案以补充802.11x系列协议，增加对车载无线存取网络的支持。该标准将定义专门设计的传输帧，以保证在快速移动的信道环境中可靠、安全传输信息，以及保证传输音视频的QOS.

为了确切说明背景技术，现对几个专有名词进行解释：

DSRC：专用短程通讯协议。DSRC是中短程距离的通讯服务，支持ITS频谱(5.85-5.925GHz)范围内专有或者公共的通信业务。它支持车载设备间以及车载设备和路上基站设备间的通讯，提供高速数据传输，最小化通讯链接的建立延迟，以及建立基于各个通讯设备和基站间的子网络。

WAVE：车载环境中的无线存取。它是一种在DSRC频段内支持802.11设备间的操作模式。它基于IEEE1609标准族，符合其定义的架构，通讯模型，管理结构，安全性以及物理存取特性以用于车辆间的无线存取。其主要的架构组成部分是路上设备(基站)和车载移动台，以及它们之间的无线存取接口。

IEEE 802.11p/1609：是在车载无线通讯网络中出现和正在完善中的一种标准，其目的在于为车载无线电通信提供一种解决方案。它修订了IEEE 802.11-2007标准，定义了一种基于车载环境中的无线存取模式；并包含了IEEE1609标准族。在物理层，802.11p完善了802.11a的物理层功能，使用OFDM的调制方式；从其传输帧的结构中能够发现包含有长和短的训练序列，以及在频域传输数据的子载波固定位置***导频；这些都是为了能够满足高速移动下的稳定数据接收。

在无线信道中，当收发双方存在相对快速运动时，会存在因多普勒频移引起的时间选择性衰落；当接收机在处高楼林立的环境中时，会存在多径效应并由此产生频率选择性衰落。对于车载无线***来说，由于车辆经常在市区或者高速公路上运行，这两种情况都是非常常见的。如果***没有很好地完成多普勒频移的校正，或者没有对多径信道进行精确地信道估计和信道补偿，将会严重影响***性能。这时时间选择性衰落和频率选择性衰落会导致信道环境剧烈变化，这个时候需要先进的信道估计算法完成补偿以保证稳定接收。

802.11p使用OFDM作为其调制方式。由于OFDM中引入了循环保护间隔，可以在接收机中采用简单的频域均衡消除多普勒效应带来的时间选择性衰落以及多径干扰。OFDM的频域均衡必须知道每个子载波上准确的信道频率响应。因此，在OFDM均衡之前，必须先进行信道估计，信道估计的准确度将直接决定接收机的工作性能。目前802.11p物理层同802.11a一样，它采用基于频域离散导频和时序长训练序列的信道估计方法。

当前使用的物理层对于车载***来说存在着如下缺陷：首先，在高速公路上行驶并进行通讯的车辆会有很大的相对速度；这样会产生较大的多普勒频移并导致严重的时间选择性衰落。然而对于目前802.11a的物理层来说，在两个时域长训练序列之后，仅存在梳状导频，因此难以应对由于严重的时间选择性衰落导致的信道剧烈变化，将产生严重的误码或者通信失败；其次，在高楼林立的市区里通信时，会存在多径衰落。虽然梳状导频可以起到一定程度的对抗频率选择性衰落的作用，但是在多径效应特别大，而且同时存在多普勒频移极端恶劣信道的情况下，通信将失败。

当恶劣的信道环境导致信道估计不准确时，还可以使用基于信道跟踪的方法进行信道补偿。但是信道跟踪将使用增加硬件部件的反馈方法，其性能随着使用硬件设备量的增加而提升；然而在设计实际的***时，必须在考虑性能的同时，对实现的复杂度进行折中。另外，拥有复杂反馈部件的***将会存在延迟的问题，这样会导致信道估计的结果不精确，进而影响性能。于是需要探讨跨层设计的方法，从而达到既能满足性能，又能减少设备量的目的。

在差错信道下，数据帧越长，数据传输错误的可能性越大，为了提高数据在恶劣的无线信道中的传输可靠性，IEEE802.11标准建议将大的MAC数据服务单元(MSDU)划分为若干个小的MAC协议数据单元(MPDU)进行传输，这个划分的过程称之为分段(Fragmeniation)。然而，分段的个数越多，分段引起的开销也越大，因而在一定的信道条件下，存在一个最优的段大小。IEEE802.11标准并没有规定如何选择最优的段大小，也没有规定信道自适应的分段策略。

目前只有少量的相关文献对IEEE802.n的分段机制性能、最优段大小或自适应的分段进行了研究，然而这些文献大都假设了无竞争的环境，仅考虑信道传输错误的影响，而无线局域网中的碰撞是制约***性能的关键因素之一。国防科技大学的研究者研究过IEEE802.11的分段机制时同时考虑碰撞以及传输错误的影响，但是他的思想是基于对MAC层传送的PLCP前导、PLCP头以及MAC头是否正确的判断：如果这些MAC帧部分传送错误，则认为是由于信道环境恶劣导致，于是要改变传送帧大小。这种思路是有效地，但是由于需要根据PLCP前导、PLCP头以及MAC头的384个比特值能否解码来判断当前的传输是否因信道环境恶劣而出错，逻辑上仍然不够严谨而且需要判断的比特还是较多；这种方法还需要改变数据帧的结构：将MAC头的编码转到PLCP头编码中以及在ACK帧里增加一个字节的域，这就不能是标准兼容了。

为了解决上述方法存在的问题，可以在接收机的物理层进行信道状况的判决：当信道环境恶劣时，接收机通知发射机信道信息，发射机将根据接收到信道信息进行查表(该表预先根据实测结果预先设定)，从而判决出需要传送的数据帧大小并以这个大小发送数据帧。

本发明提出了一种根据对信道的多普勒频移的计算，以及对多径信道的估计来设计自适应地改变传送数据块大小的方法。接收机基于发射机发射的短训练序列初步估计载波频偏量并进行同步；基于发射机发射的已知的长训练序列精确估计载波频偏量；然后接收机将估计所得到的载波频偏量与预设的门限值进行比较，当频偏量大于该门限值时，或者接收机当信道估计的结果含有三个以上超过预设门限的回波，或者两个很接近的超过某门限的回波时，通过MAC层控制信道指示发射机自适应地改变传送数据块大小：根据测得的多普勒频移值以及多径衰落的程度，索引预先设定的表格，得到在目前信道状况下最优的传送块大小，从而可以自适应调节传送块尺寸以达到传送效率的最优化。这里发射机根据从MAC层控制信道接收到的指示(通过在802.11p的MAC层应答帧的帧头部分的控制域的01类型，子类型为0000到0111变化范围)进行查表，以自适应调节传送块尺寸。该表格经过大量试验而制定，并预先存在发射机内存里。应该注意的是，这里仅仅使用了MAC层应答帧的帧头预留部分4个比特，即使信道存在严重的衰落，这四个比特可靠解码的概率远远大于384个比特，而且无需改变帧结构，从而和标准兼容。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了如下技术方案：

对于802.11p物理层，如图1所示，发射机会首先发射已知的短的训练序列t1到t10，用来进行信号检测，自动增益控制，粗频偏估计和采样时钟同步。而后，经过循环前缀GI2之后，发射机会发射已知的长的训练序列以便于接收机进行信道估计和载波频偏精估计。然而当发射机和接收机相对速度很快时，接收机会因多普勒效应而存在较大的载波频偏，这个载波频偏f_d会对接收性能产生严重的影响。该载波频偏f_d与接收机和发射机之间的相对速度v成正比，于是我们可以根据在接收机接收已知序列t8-t10时进行粗频偏估计，得到频偏粗估计值f_d_coarse。对应于一定的相对速度设定一个频偏的门限threshold_f_d，若f_d_coarse超过这个threshold_f_d，则认为相对速度很快，多普勒效应会导致信道变化剧烈，这时需要改变发射的数据块大小以便于稳定可靠接收。若f_d_coarse没超过这个threshold_f_d，则认为相对速度不快，不会存在因多普勒效应而产生信道的时间选择性衰落。

经过循环前缀GI2之后，接收机会根据已知的长的训练序列T1进行信道估计.

在旷野中，信道估计的结果可能是只有一个主径，其从径很小；而在城市里，信道估计的结果不仅含有主径，而且有从径；从径的功率比较明显并且可能不止一条。这时，需要设置门限对所有的径进行判决：如果不存在超过某个门限的从径，则认为信道频率选择性衰落不明显；如果从径存在一条而且其能量超过某个门限，则认为此时信道存在一般性频率选择性衰落；如果超出门限的从径有若干条或者(而且)存在接近0dB的从径，则认为信道存在严重的频率选择性衰落。现在的802.11p版本使用梳状导频，能够在很大程度上克服由多径效应引起的信道频率选择性衰落。

在判决出当前存在严重的时间选择性衰落的情况时，需要改进802.11p的物理层协议，改变发射机发射的数据块大小。具体的块大小还要参考对于当前信道频率选择性衰落程度的判断。当信道频率选择性衰落不明显时，物理层的块状导频结构可以对抗这种强度的多径衰落，无需改变块大小；当信道存在一般性频率选择性衰落时，保持原来802.11a物理层固定的子载波导频图案结构不变的同时，接收机通过判断信道估计后多径衰落强度的大小进行设置相应的表索引；发射机在收到该索引之后，通过查表改变发射数据的块大小。这种机制能够保证在快速变化信道中有着良好的接收性能。在使用T2时间段的连续导频获得最初的信道估计值之后，接收机使用离散导频对接收的后续数据符号进行频域插值，得到相应于当前符号的信道估计值，然后再对这个频域信道估计值取倒数，按照逐个子载波地对接收到的信号进行加权，从而能够完整恢复剧烈变化信道中的接收数据。具体插值和信道估计过程参见图7所示。接收机在进行完毕信道估计和校正之后，会将恢复得到的数据填在原先的导频子载波处，以节省空间。在极端情况下，如果同时存在严重的频率和时间选择性衰落时，则信道的环境非常恶劣，无法有效通讯。

接收机在判断出当前信道存在严重的时间选择性衰落而且存在多径效应时，会将该信息传送给发射机以便发射机能够改变发射的数据块大小或其他控制：接收机将根据衰落的严重程度把802.11p的MAC层应答帧的帧头部分的控制域的01类型，子类型赋一个确定值(0000到0111变化范围)；发射机从信道接收到该MAC层的预留的比特之后，会进行查表以确定最优的传送块大小。若接收机判定此时信道环境非常恶劣，则在应答帧的帧头部分的控制域的00类型，子类型1110的相应预留的比特置1；发射机在检测到相应信息后会重新发送数据帧。

通过这种接收机物理层检测和判决、MAC层应答帧相应比特设置和发射机根据应答帧设置值的查表进而发射当前信道环境下最优数据长度的数据块，可以达到在可靠传输的情况下传输效率的最大化，而无须增加硬件量进行判决反馈式信道跟踪；发射机仅仅解码几个比特就可以得知当前信道的信息，大大提高了***鲁棒性；这种方法还避免了对MAC层协议的修改，保持了协议的兼容性。

附图说明

图1为802.11p物理层同步头说明。

图2为802.11p中MAC层的帧格式说明。

图3为802.11pMAC层帧的控制域说明。

图4为802.11pMAC层应答帧的格式说明。

图5为802.11p数据帧的PPDU格式。

图6为MAC层帧控制域中的类型和子类型

图7为导频插值和信道估计过程。

图8为本发明中根据信道环境调整发射数据块大小和处理的流程。

具体实施方式

首先接收机在t1-t7期间使用已知的信号进行接收信号的检测和获取，自动增益控制，从而稳定地锁定接收的信号；在t8-t10期间，接收机使用已知的信号进行采样时钟同步和多普勒频偏粗估计，然后通过反馈回路纠正该采样时钟偏差和多普勒频偏以便完成初步的同步。接下来，在T1起始时刻，接收机根据计算得到的载波频偏粗估计获得当前的多普勒频移的大小，若该量值大于一个预设的门限，则判断此时信道存在时间选择性衰落；此时可以根据这个多普勒频移具体的大小确定信道存在时间选择性衰落的严重程度；假设此时存在不严重的多径效应，则接收机经过一段时间的延迟，在T2时刻根据计算得到的多普勒频移的大小，设置MAC层应答帧控制域中类型为01的子类型赋一个确定值(0000到0111变化范围)，表示信道存在时间选择性衰落，然后再将此MAC层应答帧发送给发射机。考虑到上行链路的传输延迟，发射机将在SIGNAL时间段接收到MAC层应答帧相应比特位，判决后通过查一个预先确定的表，改变发射数据帧的块大小，以便得到在一定误码率条件下最优的传输效果。同样的，考虑到下行链路的传输延迟，接收机在实际传输数据帧时，还要进行插值、信道估计和均衡处理等操作。

现重新回到在T1起始时刻：若此时判定多普勒频移没有超过某个预设门限，则接收机在T1时刻使用已知的长训练序列进行信道估计。信道估计完成后，在T2判断信道估计的结果：如果包含有多条幅度超过某个门限的径，或者在靠近主径旁含有超过门限的旁径，则认为此时信道存在多径现象，具有严重的频率选择性衰落。假设这时还判决出信道还存在严重的时间选择性衰落，则信道环境十分恶劣；这时，就进入上述接收机重新设置MAC层相应比特位的流程：在类型00，子类型1110的相应预留的比特置1；发射机在检测到相应信息后会重新发送数据帧。

如果在T1时刻结束时，在T2时刻起始没有检测出信道的时间选择性衰落，则判定此时是否存在多径效应以及多径效应的严重程度。若不存在多径效应或者多径效应并不严重，可以使用梳状导频克服，则此时就进行类似于802.11a物理层的处理方式(使用块状导频)：接收机在整个T2时刻使用已知的长训练序列即块状导频进行信道估计；在T2以及紧接着的SIGNAL之后的数据符号传输中，根据块状导频估计的结果，使用梳状导频进行插值和信道估计，并进行均衡处理；同时在数据符号的接收时还使用这些固定的梳状导频进行恒定相位校正和ICI补偿，以便于消除相位噪声。

在T2时刻没有检测到信道频率选择性衰落时，若通过信道估计得知当前信道存在严重的多径效应，以至于使用802.11a物理层的梳状导频也无法克服信道的衰落，则接收机此时需要根据多径的严重程度给MAC层应答帧控制域中类型为01的子类型赋一个确定值(0000到0111变化范围)，同样的，发射机在接收到应答帧后，根据这个设定值对预先存入内存的表进行索引，得到此种信道环境下最优传送数据块大小，并以这个大小来发送数据。

该根据信道环境对数据块大小进行调整的方案的缺点是具有一定反馈时延。反馈时延取决于服务小区半径的大小，本文中的OFDM***的符号周期为4μs其中包括循环前缀)，电磁波在一个OFDM符号内可以传输的距离为1.2km(往返路程)，因此考虑的车辆间通讯的半径可以为600m左右，发送数据块大小的调整只延时一个OFDM符号，这对***信道估计的性能影响较小，可以忽略不计。

现通过仿真评估现有的IEEE802.11分段机制(legacy IEEE802.11 fragmentation，以下将简称为LF)在有噪声的信道和拥塞的网络下的性能。这里我们在GloMoSim网络仿真软件中实现了IEEE802.11的分段机制。

仿真环境设置如下：假设由一个AP节点和若干个用户节点组成的无线局域网

单跳的网络结构；网络处于饱和状态；MAC协议的参数选择IEEE802.11中定的；数据率设置为IMbPs；分段前的数据帧大小为2048字节，分段闭值分置为256字节、512字节以及1024字节。

为了说明分段所带来的性能改进，同时也给出了相同MPDU大小下非分制的性能结果的仿真。当使用非分段发送的时候，MPDU分别相应地设置为512，2024以及2048字节大小。另外，仿真中不使用RTS/CTS握手机制。有噪的信道质量使用误码率衡量，设置BER为le-4和le-6分别来表示“差的”、好的”信道状况。仿真结果如下：

1)信道的噪声使得网络的吞吐量下降。当无线信道较差的时候，为了取得最优的性能，需要使用短的帧发送。

2)在所有的情况下，分段机制的吞吐量高于非分段机制的吞吐量，这是因为段的突发发送减小了协议开销以及碰撞的次数。

3)与高的分段阂值以及不分段的机制相比，低分段闽值的吞吐量对网络大小不敏感，这是因为如果使用低的分段发送，碰撞引起的代价减小。也就是说，小的段发送以及相应的ACK过程类似于虚拟的RTS/CTS，而G.Bianchi的研究表明RTS/cTs机制的性能对网络大小不敏感。

对于分段机制，选择最优长度的段较为复杂，因为最优长度的段同时决定于信道的质量以及网络的大小。在好的信道质量下(BER＝le-6)，对于小的网络(n＜10)，最佳的阂值是1024字节，否则为512字节；而在差的信道质量下(BER＝e-4)，不论网络大小，256字节的闽值是最佳的。

IEEE802.11的分段机制中，如果段传输发生了错误，发送节点将进入二进制指数避退过程。事实上，由于段的传输是以突发无竞争的方式进行，除了第一个段外，在其他段的传输期间是不会发生碰撞的。如果段传输失败，我们可以判断是由于传输错误引起，因而可以直接迅速地重传失败的段，而不需要避退。本发明规定只要第一个段成功地发送出去，同一个MSDU的其余段全部以突发无竞争的方式发送，即使出现了段传输错误也不例外，如果某一个段的重传次数超过了最大的重传次数，整个MSDU都需要丢弃。第一个段失败可能是由于碰撞引起，也有可能是传输错误引起，因此，需要额外的方法判断第一个段失败的原因。本发明使用解码MAC层应答帧控制域某字段的4个比特的技术来区分第一个段的失败来源于传输错误还是碰撞。仍然假设单跳的无线局域网，如果接收节点能够正确地解码帧头相应比特而不能解码数据部分，那么判断由于传输错误引起的段错误，并且通过MAC头发现目的地址为自己，因而可以向源节点发送一个修正的ACK应答帧给发射机，发射机从而判断传输错误，而无需进行避退。

在实际***测试过程中，我们给第一次段(或称为首段)发送设置一个初始的段大小，如果第一个段发送成功，那么假定信道处于好的状态，将下一次发送设置为最大的段。如果段发送失败，重传失败的段。如果段发送失败是由于传输错误引起，将段大小减半直到最小的段，并且不再增加段的大小，直到下一个MSDU的发送。这里将最小的段设置为256字节；至于最大的段，在实测传送2048字节的段时，即使在好的信道状况(BER＝1e-6)以及小规模的网络中性能也不好。而选择512字节或者256字节作为最大的段大小显然在信道质量较好以及小规模的网络中效率太低。因此大致地选择最大的段为1024字节。

对于初始的段大小，使用一个适度小的段来减小碰撞和同时探测信道质量。如上文所述，小的段的传输能够减小碰撞的代价，而且还能够减小因信道原因而传输失败的代价。然而，如果初始的段太小，在好的信道情况以及小的网络中效率较低；并且可能给下一次的传输提供过高的信道估计。作为一个折中，使用512字节为初始的段大小。

在实际演示***测试中，证明了提出的根据信道环境改变发送数据块(段)大小方法的效果和实用性。在网络节点数为5，实测高速公路上400Hz的多普勒频移环境下，使用原来2048字节的数据块(段)在信噪比15dB时，其吞吐率为0.2Mbps，而使用分段大小为256字节的传输时，其传输吞吐率为0.56Mbps。使用巴西信道C仿真城市中高楼密集的通讯环境下时，使用原来2048字节的数据块(段)在信噪比15dB时，其吞吐率为0.27Mbps，而使用分段大小为256字节的传输时，其传输吞吐率为0.51Mbps。在多普勒频移为10Hz的旷野中，多径效应很小，此时使用原来1024字节的数据块(段)在信噪比15dB时，其吞吐率为0.88Mbps，而使用分段大小为256字节的传输时，其传输吞吐率为0.71Mbps。实测结果说明了，在良好的信道环境下，可以传送大的未分段的数据，能获得较大的吞吐率；在恶劣的信道环境下，需要根据信道的衰落程度调整段大小，从而得到最佳的传输吞吐率。

Claims (7)

1.一种基于信道环境判决的传送数据包大小分割方法，应用于车载通信***，该方法包括以下步骤：

1)基于发射机发射的短训练序列初步估计载波频偏量并进行同步；

2)基于发射机发射的已知的长训练序列精确估计载波频偏量；

3)将估计所得到的载波频偏量与预设的门限值进行比较；

4)当频偏量大于该门限值时，通过MAC层控制信道指示发射机改变发送的数据包大小；

5)发射机根据从MAC层控制信道接收到的指示改变发送的数据包大小。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：当步骤3)中比较的结果为估计的频偏量小于门限值时，则执行以下步骤：

a.接收机会根据已知的长的训练序列以进行信道估计

b.当信道估计的结果含有三个以上超过预设门限的回波，或者两个很接近的超过某门限的回波时，通过MAC层控制信道指示发射机改变发送的数据包大小；

c.执行所述步骤5)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中通过MAC层控制信道指示发射机改变发送的数据包大小的步骤具体为：这里发射机根据接收到的802.11p的MAC层应答帧的帧头部分的控制域的01类型，子类型的确定值(0000到0111变化范围)进行查表，以自适应调节传送块尺寸。

4.如权利要求1-3所述的方法，其特征在于：所述改变发送的数据包大小具体为将传送的数据包分块，块大小根据查表确定。该表的栏目值根据实测的载波频偏和信道多径大小确定。

5.如权利要求1-4所述的方法，其中，根据计算得到的多普勒频移大小，或者信道估计得到的多径衰落的程度，自适应地调节发送的数据包大小，从而可以达到传送效率的最优化。

6.如权利4或5所述的方法，其中，表格经过大量试验而制定，并预先存在发射机内存里。具体的就是根据多普勒频移大小和多径衰落的程度，制定8个不同的块大小的量度，并测得此时的BER小于某个门限(1e-5)。发射机根据权利4所述子类型的8个确定的量度值进行查表。

7.如权利要求2、3、4、5、6所述的方法，当确定由于当前恶劣的信道环境导致分块(段)传送时，数据块将直接传送不考虑竞争；若由于竞争导致的当前块传送失败则重新传送，直到超过重传次数(暂定3次)，则进入指数退避。可以避免原来协议里一次传输失败就进入指数退避，可大大提高数据率。

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